基于红外技术的公交车载人数统计系统的设计

　　引言

　　随着社会的发展，城市公共交通的作用越来越重要，如何合理有效的安排公交车次以及制定公交车运营计划，是每个公交公司的头等大事。客流量的大小是公交公司制定所有运营计划的基础，但是以往的客流量统计只限于人工记录、公交自动刷卡记录，记录数据与实际数据之间存在较大的误差，对公交公司的车辆运营计划的制定造成了很大的影响。基于红外技术的公交车载人数统计系统可以全天候工作，真实可靠地记录客流量，从而可以避免以上人为误差和刷卡统计误差。

　　车载人数统计系统的功能

　　为了有效记录公交线路各站点的真实客流量，为公交公司提供合理的车辆调度规划依据，公交车载人数统计系统的功能如下：

　　1）人数采集统计功能

　　公交车在各个停靠站点上下车的人数都能精确无误地被系统记录。

　　2）数据存储功能

　　每个公交车停靠站点以及该站点的客流量为一对一记录保存，以便公交公司工作人员分析各站点的客流量，合理的制定相应的运营计划。

　　3）数据传输功能

　　车载人数统计系统可以将各个公交停靠站点的客流量数据通过有线或者无线方式传输给计算机。

　　系统硬件设计

　　系统以单片机MSP430F149为核心控制器，集成红外发射模块、红外接收模块、串行存储器模块、RS232接口模块和电源管理模块。系统框图见图1。

图1系统框图

　　2.1单片机单元

　　系统采用TI公司的MSP430F149单片机作为核心控制器，此款单片机具有16位的CPU集成寄存器和常数发生器，可使单片机实现最大化的代码效率；集成JTAG，支持在线编程；两个通用全双工串行同步/异步通信接口；PWM控制输出；外部中断输入接口。单片机负责采样公交车辆开关门信号，开启或者关闭红外计数模块，记录各个公交站点的上下车人数，存储各个站点上下车人数数据并将存储的数据传输给计算机。

　　2.2红外发射模块

　　红外发射二极管LF5038作为发射模块的红外信号发射器件,其电气参数如下：峰值波长为940nm；正向工作电压VF为1.2V，正向驱动电流IF最大值100mA，一般来说，IF越大，发射距离越远。

　　由于红外接收模块可以接收的载波频率为38kHz，所以红外发射模块需要以38kHz的载波发射信号[1]。单片机MSP430F149内部包含PWM输出控制，很容易实现载波信号的设置。单片机管脚的输出驱动能力有限，为提高发射模块的发射距离，采用外接三极管驱动电路以提高发射模块的正向电流IF，来提高发射模块的发射距离[2]。红外发射驱动电路如图2a。

　　2.3红外接收模块

　　红外接收模块采用LF0038F，其性能参数为：可接收的载波频率典型值是38kHz；当红外发射模块的正向电流为300mA时，LF0038F接收的最小距离为15m；接收角度的典型值为±45º。

　　红外接收模块对供电电源的要求比较严格，为防止误输出信号的发生，对其输入电源进行多级抗干扰以及滤波处理，红外接收模块电路图如图2b。

图2红外发射接收模块原理图

　　单片机PWM输出驱动红外发射模块向外发射38kHz的脉冲信号，LF0038F接收到有效信号时OUT端输出低电平信号，当LF0038F接收不到有效信号时OUT端输出高电平信号，期间由低电平到高电平会产生一个上升沿信号。LF0038F输出信号的波形如图3a。

系统软件设计

　　3.1数据传输程序设计

　　系统可以将各站点相对应的上下车的乘客数量进行存储，并且可以通过有线或者无线方式传输给上位机。有线方式采用RS232接口电路进行数据传输，无线方式采用红外通信方式。由于RS232通信技术比较成熟，容易实现，这里不再介绍，主要详细介绍红外通信方式传输数据。

　　红外通信的难点和重点在于红外信号的编码格式定义。在系统中编码格式定义如下：系统采用两种周期格式分别为1.125mS和2.25mS，其中以脉冲宽度560uS、间隔565uS、周期为1.125mS表示二进制的“0”，以脉冲宽度560uS、间隔1685uS、周期为2.25mS表示二进制的“1”。信号周期波形如图3b。

　　红外数据编码包括9部分：引导码、车辆识别原码、车辆识别反码、站点原码、站点反码、上车乘客数原码、上车乘客数反码、下车乘客数原码和下车乘客数反码，共74位数据组成。引导码由9ms的低电平和4.5ms的高电平构成，车辆识别码由13位原码数据和13位反码数据构成，站点码由8位站点原码和8位站点反码构成，上车乘客码由8位上车乘客数原码和8位上车乘客数反码构成，下车乘客码由8位下车乘客数原码和8位下车乘客数反码构成。为防止通信过程中出现错误，用各个反码验证前面接收的原码数据是否正确。红外数据编码结构如表1。数据发射编码图见图3c。

表1红外数据编码结构表

　当需要将车载系统记录的数据传输到上位机时，操作人员按下数据传输控制按键，系统进入数据传输程序，由程序控制红外发射模块按数据编码格式输出相应的数据信号。上位机接收到数据后，判断数据是否有效，然后通过红外发射模块向车载系统发回数据有效或者无效应答。数据传输完毕后，车载系统自动进入待机模式，等待新的数据记录的开始。数据传输流程图见图4a。

　　3.2主程序功能

　　主程序负责初始化、开中断、检测车门开关、指导系统进入各种相应的工作状态。主程序流程图见图4b。

　　3.3上下车人数统计程序

　　公交车到站后，系统检测到开门信号时，程序开启PWM输出，驱动红外模块发射频率为38kHz的脉冲信号，LF0038F接收到信号OUT端输出低电平信号。当乘客上下车时，红外模块发射的脉冲信号被人体遮挡住[3]，接收模块没有信号输入，LF0038F输出信号由低电平跳变为高电平，上升沿触发单片机中断，程序进入乘客上下车检测判断，单片机通过程序处理后确认有乘客上下车时，系统便进行相应的上下车人数记录。系统检测到车门关闭公交车离站时，保存相应站点序号以及在该站上下车人数，并且清零相应寄存器。客流统计程序见图4c。

图4程序流程图

　　结论

　　红外技术是一门新兴而且发展迅速的学科，各种红外器件应运而生，品种繁多，其应用涉及到民用、军用各个行业。系统硬件以及软件均采用模块化设计，易于升级与维护。经过在线实际运行，采集数据准确可靠，为公交公司的车辆调度以及排班安排提供了第一手资料。避免了以往人工记录存在较大误差的缺点，该系统具有良好的推广价值和应用前景。